(57)【要約】【課題】超音波検出において最適な検出感度を容易に実現することができる波長可変レーザを光源として組み合わせた構造体の健全性評価装置を実現する。【解決手段】光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置は、被測定物に貼り付けられるＦＢＧセンサ１と、ＦＢＧセンサ１に接続される光サーキュレータ２と、光サーキュレータ２にそれぞれ接続された入射用カップラー８と反射用カップラー１０と、入射用カップラー８にそれぞれスイッチＡ、Ｂを介して接続された広帯域光源４及び波長可変レーザ光源６と、反射用カップラー１０に接続された光学フィルタ５と、光学フィルタ５の透過光と反射光が入射可能なように接続されたひずみ計測用光電変換器１１、１２と、反射用カップラー１０に接続された超音波検出用光電変換器７とを備えている。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＢＧセンサの反射帯域内の波長を有する波長可変レーザのレーザ光を該ＦＢＧセンサに入射させ、該ＦＢＧセンサからの反射光を光電変換器により電気信号に変換して、超音波・ＡＥの検出波形を得ることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項２】
前記波長可変レーザの発振波長を、前記ＦＢＧセンサの反射率が半減する波長に合わせることが可能であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項３】
広帯域光源からの広帯域光を該ＦＢＧセンサに入射させ、
前記ＦＢＧセンサからの反射光を、ひずみ計測用の光学フィルタに入射し、該光学フィルタのフィルタ透過光強度と反射光強度の差と、両強度の和との比から、ブラッグ波長を評価でき、該ブラッグ波長から反射率が半減するレーザ発振波長を決定可能であることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項４】
前記ＦＢＧセンサからの反射光を、光強度分布特性を評価する計測器である光スペクトルアナライザまたは波長計に入射し、前記ＦＢＧセンサの反射率が半減する波長を決定可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項５】
前記ＦＢＧセンサのひずみ変化によるブラッグ波長の変動を計測するブラッグ波長計測器を設け、該計測された変動に合わせて前記波長可変レーザのレーザ光の発振波長を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項６】
被測定物に貼り付けられるＦＢＧセンサと、
該ＦＢＧセンサに接続される光サーキュレータと、
該光サーキュレータにそれぞれ接続された入射用カップラー及び反射用カップラーと、
該入射用カップラーにそれぞれスイッチを介して接続された広帯域光源及び波長可変レーザと、
該反射用カップラーに接続された光学フィルタと、
該光学フィルタの透過光と反射光が入射可能なように接続されたひずみ計測用光電変換器と、
前記反射用カップラーに接続された超音波検出用光電変換器と、
を備えたことを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項７】
前記ひずみ計測用光電変換器の測定結果に基づいて、前記波長可変レーザの発振波長が制御されていることを特徴とする請求項６記載の光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【請求項８】
前記反射用カップラーには、ブラッグ波長計測器が接続され、該ブラッグ波長計測器の測定結果に基づいて、前記波長可変レーザの発振波長が制御されていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサを用いたひずみ計測、および超音波・ＡＥ検出装置に関する。特に、橋梁、輸送機、建築物などの構造物におけるひずみ評価、上記構造物の破壊発生に伴う弾性波放出（ＡＥ）検出、上記構造物への超音波を利用した非破壊検査、ひずみ、超音波・ＡＥ計測を組み合わせた構造物の健全性評価モニタリング装置に適用することができる。光ファイバセンサを用いたひずみ計測、および超音波・ＡＥ検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造物の信頼性を向上させることを目的に健全性評価装置を構築することが期待されている。構造物の健全性を評価する際、ひずみ計測とき裂などの欠陥を検出することは非常に重要である。これまでひずみは金属の変形に伴う電気抵抗変化を利用した抵抗式ひずみゲージを用いて計測されることが多かった。またき裂などの欠陥を検出する手法としては欠陥発生に伴う弾性波放出（ＡＥ）の検出と超音波を利用した非破壊検査が行われている。
【０００３】
き裂の存在は超音波の伝搬特性に影響を与えることを利用して、被検査体に超音波を伝搬させ、その応答波形の特徴から欠陥の有無を検査できる。これまでＡＥの検出センサ、および超音波を用いた非破壊検査における超音波検出センサには圧電素子センサが利用されてきた。しかし圧電素子センサの場合、電気式センサであることから電磁波障害の影響を受けることや一個のセンサにつき、一本のケーブルを必要とすることから配線が複雑になるなどの問題があった。
【０００４】
近年、光ファイバセンサの一種であるＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を構造体の健全性評価におけるひずみ、および超音波・ＡＥ検出用センサとして利用することが期待されている。ＦＢＧセンサは電磁波障害を受けないことや、一本の光ファイバに複数のセンサと取り付けることが可能なことなどの特長があり、実用化において多くの利点を有する。
【０００５】
ＦＢＧセンサを利用した超音波・ＡＥ検出法は用いる光源の種類により二種類に大別することができる。ひとつは広帯域光源を利用するタイプ、もうひとつはレーザ光源、つまり単一波長光源を利用するタイプである。特願２００３−１７２３２１（「先行発明」という。）では広帯域光源を利用してひずみと超音波・ＡＥを検出する装置を提案した（特願２００３−１７２３２１には超音波検出が可能であるとは書いていない。当時はＡＥ検出ができると記述した。しかしＡＥが検出できることは原理的には超音波が検出できることと同意である）。
【０００６】
上記先行発明は、図１に示すように、ＦＢＧセンサ１からの反射光を、光サーキュレータ２、チューナブルフィルタ３に通して、ひずみに伴うＦＢＧセンサ１のブラッグ波長変化を検出する装置である。
【０００７】
レーザ光源を利用した超音波計測に関してはこれまでにいくつかの論文報告がされている（非特許文献１参照）。これらの研究においてはセンサとなるＦＢＧの反射率が半減する波長に波長可変レーザの発振波長を設定し、ＦＢＧセンサからの反射光強度がセンサのブラッグ波長に伴い変化することを利用して超音波を検出した実験が報告されている。
【非特許文献１】D.C. Betz等、Smart Materials and Structures, 12(2003)122-128
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記先行発明は、ＦＢＧセンサからの反射光をチューナブルフィルタに通して、ひずみに伴うＦＢＧセンサのブラッグ波長変化を検出する装置であるが、図２に示すように市販されているチューナブルフィルタの動作点の移動は高々５０ｐｍ毎程度である。このためチューナブルフィルタを用いた場合の超音波検出の動作点は必ずしも最適にならない。
【０００９】
先行発明の広帯域光源を用いた超音波・ＡＥ計測においては、チューナブル光フィルタを用いる。同フィルタは５０ｐｍ程度毎の離散的なフィルタ動作点の移動しかできない。
【００１０】
また広帯域光源を利用した場合、ＦＢＧセンサが入射された広帯域光のブラッグ波長を中心とする極めて狭帯域の光のみを反射し、その光をさらにフィルタ処理するため光電変換器で検出する光は極めて微小な光強度になる。微小な強度の光を電気信号に変換するため、超音波・ＡＥに対する応答信号はノイズの多い信号になる。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを目的とするものであり、超音波検出において最適な検出感度を容易に実現することができる波長可変レーザを光源として組み合わせた構造体の健全性評価装置を実現することを課題とするものである。
【００１２】
即ち、広帯域光源と波長可変レーザ光源を組み合わせたＦＢＧセンサによりひずみ、超音波・ＡＥを計測し、構造体の健全性を評価する装置を実現することを課題とするものであり、この装置は構造体の健全性評価装置においてＦＢＧセンサでひずみ計測のみでなく、高感度で超音波・ＡＥを検出することができ、実用化において大きく寄与することが期待される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために、ＦＢＧセンサの反射帯域内の波長のレーザ光を該ＦＢＧセンサに入射させ、該ＦＢＧセンサからの反射光を光電変換器により電気信号に変換して、超音波・ＡＥの検出波形を得ることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置を提供する。
【００１４】
波長可変レーザの発振波長をＦＢＧの反射率が半減する波長付近に合わせることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００１５】
広帯域光源からの広帯域光を該ＦＢＧセンサに入射させ、ＦＢＧセンサからの反射光を、ひずみ計測用の光学フィルタに入射し、フィルタ透過光強度と反射光強度の差と両強度の和の比からブラッグ波長を評価でき、ブラッグ波長から反射率が半減するレーザ発振波長を決定することを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００１６】
ＦＢＧセンサからの反射光を、光強度分布特性を評価する計測器である光スペクトルアナライザまたは波長計などに入射し、反射率が半減する波長を決定することを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００１７】
ブラッグ波長計測器で、ＦＢＧセンサがひずみ変化などによるブラッグ波長の変動を計測し、該計測された変動に合わせて波長可変レーザ光源のレーザ光の発振波長を変化させることを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００１８】
被測定物に貼り付けられるＦＢＧセンサと、該ＦＢＧセンサに接続される光サーキュレータと、該光サーキュレータにそれぞれ接続された入射用カップラーと反射用カップラーと、該入射用カップラーにそれぞれスイッチを介して接続された広帯域光源及び波長可変レーザ光源と、該反射用カップラーに接続された光学フィルタと、該光学フィルタの透過光と反射光が入射可能なように接続されたひずみ計測用光電変換器と、該反射用カップラーに接続された超音波検出用光電変換器とを備えたことを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００１９】
前記ひずみ計測用光電変換器の出力からＦＢＧセンサの反射特性を評価し、その反射特性に基づいて波長可変レーザの発振波長を制御することを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【００２０】
前記反射用カップラーには、ブラッグ波長計測器が接続され、該ブラッグ波長計測器により評価されたＦＢＧセンサの反射特性に基づいて、前記波長可変レーザ光源の発振波長を制御することを特徴とする光ファイバセンサを用いたひずみ計測および超音波・ＡＥ検出装置。
【発明の効果】
【００２１】
光源に波長可変レーザを用いることで超音波・ＡＥ検出において感度が最適な計測状態にすることができ、その結果得られる検出信号のＳ／Ｎ比が高くなり、健全性評価において優れた欠陥検出能、およびＡＥ検出能を有する。
【００２２】
波長可変レーザ光源の発振波長は１ｐｍオーダーで制御することができる。このため良好な線形応答性を示すＦＢＧセンサの反射率が半減する波長に発振波長を設定することができる。
【００２３】
超音波・ＡＥに対する応答信号はＦＢＧセンサからの反射光強度変化に対応するが、光源として光強度の強いレーザ光を利用するため、ＦＢＧセンサからの反射光強度も高く、光電変換器は十分に強度の高い光を電気信号に変換することになる。このため増幅処理なく、忠実性の高い応答信号を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面等を参照として以下説明する。
【００２５】
（発明の原理）
図３に示すようにＦＢＧセンサの反射帯域内の波長のレーザ光をＦＢＧセンサに入射することを考える。発振波長におけるＦＢＧセンサの反射率はＦＢＧセンサのブラッグ波長変動に伴い変化することから、ＦＢＧセンサからの反射光強度はＦＢＧセンサのブラッグ波長に伴い変化する。ＦＢＧセンサからの反射光を光電変換器により電気信号に変換して、超音波・ＡＥの検出波形を得ることができる。
【００２６】
超音波・ＡＥによりＦＢＧセンサが受ける振動の大きさに比例して検出信号強度が変化するためには反射率−波長関係が線形性を有する必要がある。図４に示すようにＦＢＧの反射特性は反射率が半減する波長領域で、最も広い波長域で反射率−波長関係の線形性が保たれる。
【００２７】
そこでＦＢＧセンサによる超音波計測においては波長可変レーザの発振波長をＦＢＧの反射率が半減する波長付近に合わせる。これによりＦＢＧセンサが受ける振動の大きさに比例してＦＢＧセンサから反射される光強度が変化することになり、光電変換器を通して得られる信号強度は振動の大きさに比例することになる。
【００２８】
レーザ発振波長決定の具体的な手法としてはＦＢＧセンサからの反射光をひずみ計測用の光学フィルタに入射し、フィルタ透過光強度と反射光強度の差と両強度の和の比からブラッグ波長を評価でき、ブラッグ波長から反射率が半減する波長を決定することができる。
【００２９】
または、ＦＢＧセンサからの反射光を光スペクトルアナライザ、または波長計などの光強度分布特性を評価する計測器に入射し、反射率が半減する波長を決定することができる。
【００３０】
ＦＢＧセンサがひずみ変化などによりブラッグ波長が変動したときは、その変動に合わせて図５に示すようにレーザ光の発振波長を変化させる。これにより超音波・ＡＥ計測において常に高い感度を有する計測装置になる。
【実施例１】
【００３１】
超音波探触子１４（超音波を発生させる圧電素子）から発振した超音波を被測定物９に付与し（被測定物に超音波振動を与える）、ＦＢＧセンサ１がひずみを受けた場合、ＦＢＧセンサ１のブラッグ波長が大きく変動することになる。この場合、そのブラッグ波長１の変動に呼応させて波長可変レーザ光源からの波長可変レーザ光の波長を変動させる必要がある。このようなひずみ変化が生じる場合に、ひずみを高速で計測し、かつ超音波、ＡＥを検出するようなＦＢＧセンシング装置の装置例として図１５が考えられる。
【００３２】
このＦＢＧセンシング装置では、ひずみ計測において、広帯域光源４からの広帯域光を入射して、ひずみ計測用の光学フィルタ５に通してその反射光、および透過光強度からＦＢＧセンサのブラッグ波長を評価し、ひずみを算出する。またこのときに得られるブラッグ波長からＦＢＧセンサ１の反射率が半減する波長がわかり、波長可変レーザ光源６の発振波長を制御する装置にする。
【００３３】
本発明の「広帯域光源」は、センサのブラッグ波長を含み、ひずみ変動などによりもたらされるブラッグ波長変動域よりも広い波長域を有する光源を利用する。
温度一定条件下においてブラッグ波長λBのＦＢＧセンサがひずみεを受けたときに生じるブラッグ波長変化ΔλBは式１で表すことができる。
【数１】
2005326326.tif 000003
【００３４】
ここでn、ρij、およびνは光ファイバの屈折率、光弾性定数、およびポアソン比を表し、実験例に用いた光ファイバの場合、これらの特性定数を代入すると式２が得られる。
【数２】
2005326326.tif 000004
【００３５】
たとえばブラッグ波長１５５０ｎｍのＦＢＧセンサが１％のひずみを受けるとブラッグ波長は１２．２nm変動することになる。つまり±１％以内のひずみ変化が起こり得る状態ではブラッグ波長が１５３７．８〜１５６２．２ｎｍの範囲を取ることになる。ひずみ計測のための広帯域光源は、この波長帯域を含む必要がある。つまりひずみ計測において必要とされる広帯域光源の帯域幅は測定される測定されるひずみの大きさに依存し、また帯域はＦＢＧセンサのブラッグ波長に依存する。
【００３６】
本実験例では室温下ひずみなし状態でのFBGセンサのブラッグ波長が約１５５０ｎｍであった。そこで「広帯域光源」として、通常、長距離光通信用の光源として使用されている、１５２０〜１６２０ｎｍの波長域の光を放射する光源を用いた。
【００３７】
超音波、およびＡＥ検出時は波長可変レーザ光源６からの出力光をＦＢＧセンサ１に入射して、その反射光強度を超音波検出用光電変換器７により電圧信号に変換し、超音波・ＡＥに対する応答波形を得ることができる。
【００３８】
図１５において、広帯域光源４が光スイッチＡを介して入射光用の１×２カップラー８に結合されている。また、波長可変レーザ光源６（単一波長光のレーザ光源）が光スイッチＢを介して１×２カップラー８に結合されている。そして、１×２カップラー８は、光サーキュレータ２を介してＦＢＧセンサ１に接続されている。ＦＢＧセンサ１は、被測定物９に貼り付けられている。
【００３９】
これにより、広帯域光源４の広帯域光および波長可変レーザ光源６のレーザ光（単一波長光）のいずれかが、光スイッチＡ、Ｂで選択され、１×２カップラー８及び光サーキュレータ２を介してＦＢＧセンサ１に入射される。
【００４０】
光サーキュレータ２には、反射光用の１×２カップラー１０が接続されている。この１×２カップラー１０には、超音波・ＡＥ計測のための超音波検出用光電変換器７が接続されているとともに、ひずみ計測のためひずみ計測用光学フィルタ５が接続されている。
【００４１】
ひずみ計測用光学フィルタ５からの透過光が光電変換器Ａに入るようにひずみ計測用光学フィルタ５と光電変換器Ａ１１が接続されており、ひずみ計測用光学フィルタ５からの反射光が光電変換器Ｂに入るようにひずみ計測用光学フィルタ５と光電変換器Ｂ１２が接続されている。波長可変レーザ光源６の発振波長は、ひずみ計測用光学フィルタ５の出力に基づいて制御されている。
【００４２】
これにより、ＦＢＧセンサ１からの反射光は、光サーキュレータ２、１×２カップラー１０を介して超音波・ＡＥ計測のための超音波検出用光電変換器７に入力され、光強度が電気信号に変換される。
【００４３】
同時に、ＦＢＧセンサ１からの反射光は、光サーキュレータ２、１×２カップラー１０、ひずみ計測用光学フィルタ５を介して、透過光としてひずみ計測用光電変換器１１に入力され電気信号に変換されるとともに、ひずみ計測用光学フィルタ５の反射光としてひずみ計測用光電変換器１２に入力され電気信号に変換される。
【００４４】
このようにして電気信号変換された、透過光及び反射光の両者の光強度からＦＢＧセンサ１が受けるひずみとブラッグ波長が評価される。ここで評価されたブラッグ波長に基づいて、超音波・ＡＥ計測のための波長可変レーザ光源の発振波長を制御することが可能な構成となる。
【００４５】
（作用）
図１５に示す実施例１のＦＢＧセンシング装置の作用を以下に説明する。ひずみ計測時においては、光スイッチＡをＯＮ、光スイッチＢをＯＦＦにしてＦＢＧセンサ１に広帯域光のみを通す。すると、ＦＢＧセンサ１からの反射光をひずみ計測用光学フィルタ５に通して、その透過光および反射光強度を光電変換器Ａ１１、光電変換器Ｂ１２により電気信号に変換して、両信号強度からひずみ、およびブラッグ波長を評価することができる。
【００４６】
ひずみ計測用光学フィルタ５からの透過光はひずみ計測用光電変換器Ａ１１に入射され、ひずみ計測用光学フィルタ５から反射光はひずみ計測用光電変換器Ｂ１２に入射される。光電変換器Ａの出力Ｖａと光電変換器Ｂの出力Ｖｂの差と和の比である（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）はＦＢＧセンサのブラッグ波長と一対一の関係がある。つまりＦＢＧセンサ１が受けるひずみは（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）の値から評価することができる。
【００４７】
超音波・ＡＥを検出する場合は、上記したブラッグ波長計測結果に基づいて波長可変レーザ光源６の発振波長を調整する。つまり反射率が半減する波長にレーザ光の発振波長を合わせる。そして、光スイッチＡをＯＦＦ、光スイッチＢをＯＮにしてＦＢＧセンサ１にレーザ光のみを通す。ＦＢＧセンサ１からの反射光を超音波検出用光電変換器７に通して、光強度を電気信号に変換して得られた波形はＦＢＧセンサ１が受ける超音波、またはＡＥ信号に対応する。
【００４８】
超音波・ＡＥ検出時においてＦＢＧセンサ１がひずみを受けてブラッグ波長が変動した場合、ブラッグ波長を評価するため広帯域光を入射し、その結果に基づいて波長可変レーザ光源６の発振波長を制御する。
【実施例２】
【００４９】
図１６は、本発明に係るＦＢＧセンシング装置の実施例２の構成を説明する図である。超音波・ＡＥ検出においては、高い精度で発振波長を設定する必要があるが、実施例２は、このようなニーズに対応する装置である。実施例２の構成は、実施例１（図１５参照）とほぼ同じであるが、次の構成において相違する。
【００５０】
即ち、実施例２が実施例１と異なる構成は、実施例２では、ＦＢＧセンサ１からの反射光を、超音波検出用光電変換器７及びひずみ計測用光電変換器１１、１２の他にブラッグ波長計測器１３に入力して、高精度に波長可変レーザ光源の発振波長を制御する構成である。
【００５１】
ブラッグ波長計測器１３としては、光スペクトルアナライザ、波長計などの計測器を利用する。このように、ブラッグ波長計測器１３により波長可変レーザ光源の発振波長を制御する構成として、波長可変レーザ光源６の発振波長を反射率が半減する波長に合わせることで、高いＳ／Ｎ比で超音波・ＡＥを検出することができる。後述する図１２に示す実験例でも光スペクトルアナライザから評価されたＦＢＧセンサ１の反射特性からレーザ光の発振波長を決定している。
【００５２】
以上のとおり、実施例２は、図１６に示すように、ブラッグ波長計測器１３として、例えば、光スペクトルアナライザ、波長計などＦＢＧセンサからの反射光強度分布を精度良く評価する機器を用いて、波長可変レーザ光源６の発振波長を高い精度で設定するものである。
【００５３】
（作用）
図１６に示す実施例２のＦＢＧセンシング装置の作用を以下に説明する。ひずみ計測時においては、光スイッチＡをＯＮ、光スイッチＢをＯＦＦにしてＦＢＧセンサ１に広帯域光のみを通す。
【００５４】
ＦＢＧセンサ１からの反射光をひずみ計測用光学フィルタ５に通して、その透過光および反射光強度を光電変換器Ａ１１および光電変換器Ｂ１２により電気信号に変換して、両信号（反射光強度および透過光強度を光電変換器Ａ１１および光電変換器Ｂ１２で変換して得た二つの電気信号）からひずみを評価することができる。
【００５５】
また、ブラッグ波長計測器１３にＦＢＧセンサ１からの反射光を入力して、ＦＢＧセンサ１のブラッグ波長を高精度に評価することができる。
【００５６】
超音波、ＡＥを検出する場合、ブラッグ波長計測器１３から評価された反射率が半減する波長に波長可変レーザ光源６の発振波長を合わせる。光スイッチＡをＯＦＦ、光スイッチＢをＯＮにしてＦＢＧセンサ１にレーザ光のみを通す。ＦＢＧセンサ１からの反射光を超音波検出用光電変換器７に通して、光強度を電気信号に変換して得られた波形はＦＢＧセンサ１が受ける超音波、またはＡＥ信号に対応する。
【００５７】
超音波・ＡＥ検出時においてＦＢＧセンサ１がひずみを受けてブラッグ波長が変動した場合、ブラッグ波長を評価するため広帯域光を入射し、ブラッグ波長計測器１３から評価された結果に基づいて波長可変レーザ光源６の発振波長を制御する。
【００５８】
なお、実施例１、２において、複数のＦＢＧセンサ１を一本の光ファイバ上に設けた場合でも、波長分離技術を用いることにより、それぞれのＦＢＧセンサ１のひずみを計測することができ、また超音波・ＡＥ計測を行うことができる。
【００５９】
以下に超音波計測の実験例１、２を挙げて、本発明にかかる装置の有効性を示す。この実験例１、２では、実施例２に示す装置を使用して行った。
【００６０】
（実験例１）
レーザ発振波長の決定に関する実験：
図６は、図１６に示す実施例２と同等のものを示す図であり、実験例１では、図６に示す装置を使用した。光源としては、広帯域光源４および波長可変レーザ光源６を用い、これらの光源４、６からの広帯域光および波長可変レーザ光を選択的にＦＢＧセンサ１に入射させる。そして、ＦＢＧセンサ１からの反射光を、超音波検出用光電変換器７および反射特性評価用のブラッグ波長計測器１３（具体的には光スペクトルアナライザ）に入射させた。
【００６１】
広帯域光のみを入射する（図６の光スイッチＡをＯＮし、光スイッチＢをＯＦＦする）と、図７に示すＦＢＧセンサ１の反射特性が得られた。これより、反射率が半減する波長が求められることが実証された。図７のグラフ縦軸は、正規化された強度と記しているが、この場合は反射率と同意である。
【００６２】
この実験例１では、反射光強度が半減する長波長側の波長１５５１．０８ｎｍにレーザ光の発振波長を合わせた。図８に、広帯域光とレーザ光を同時に入射したとき（図６の光スイッチＡ、ＢともにＯＮ）のＦＢＧセンサ１からの反射光強度分布を示す。この場合は、レーザ光強度が高いため、図８ではレーザ発振波長において高い強度が現れ、広帯域光の分布が明確ではない。図９に、広帯域光分布領域を拡大した図を示す。
【００６３】
広帯域光とレーザ光を同時にＦＢＧセンサ１に入射した条件において、超音波探触子１４（超音波を発生させる圧電素子）から発振した超音波を被測定物９に付与し（被測定物に超音波振動を与える）た場合に、これに対するＦＧＢセンサ１で検出し超音波検出用光電変換器７で電気出力に変換した応答信号を図１０に示す。広帯域光、レーザ光の二つの光を入射した場合（図６の光スイッチＡ、ＢともにＯＮ）、ノイズが多い応答波形であるが、超音波に対する応答は明らかである。
【００６４】
超音波計測において不要な広帯域光の入射をとめた場合（図６の光スイッチＡをＯＦＦし、同ＢをＯＮする）、ノイズの少ない明確な応答波形を得ることができた。
【００６５】
以上、実験例１において、図６に示すような装置を用いて波長可変レーザ光の発振波長をＦＢＧセンサ１のブラッグ波長変化に合わせて変化させることで、高感度な超音波・ＡＥ計測が可能になることが実証された。
【００６６】
（実験例２）
欠陥検出のための超音波検出実験：
本実験例２では、直交積層炭素繊維強化複合材料に衝撃負荷を与えて欠陥部を設け、超音波応答波形から欠陥の有無が評価できるかを調べた。本供試材での超音波応答については下記のことが考えられる。
【００６７】
超音波の伝搬速度は、伝搬媒体の弾性率が高いと速くなる。直交積層複合材料の場合、損傷部では０°および９０°方向に配向された繊維層が分離していることから、一部の超音波は、弾性率の高い０°方向配向の繊維層を伝搬することになる。健全部の弾性率は、０°層と９０°層の弾性率の平均値になる。
【００６８】
このため損傷部を通過した場合は、健全部通過時よりも時間的に速く応答が開始することが考えられる。また損傷部を通過した超音波は健全部通過した場合と比較して減衰を大きく受けることが考えられる。つまり損傷部通過においては健全部通過時よりも早い時間に応答が開始すること、また信号強度が健全部通過時よりも低下することが特徴になることが考えられる。
【００６９】
図１１に示すように、試験片１５にＦＢＧセンサ１を貼り付け、超音波計測装置を組んだ。図１１では広帯域光源や発振波長制御のための装置部を省略しているが、ＦＢＧセンサ１の反射特性を測定し、波長可変レーザ光源６からの波長可変レーザ光の発振波長はＦＢＧセンサ１からの反射光強度が半減する波長に設定した。
【００７０】
超音波探触子１４を取り付ける箇所により、ＦＢＧセンサ１が検出する超音波は健全部１６を通過した場合、また損傷部１７を通過した場合の二通りになる。両者の場合における超音波応答信号を収録し、比較した。
【００７１】
図１２に超音波応答波形を示す。健全部１６を通過した場合と比較して、損傷部１７を通過した超音波に対する応答には上記した考察から予想されるように損傷部１７の通過時において早い時間に応答が開始し、また応答強度も健全部１６の通過時よりも低下している。このように本超音波検出装置により欠陥検出が可能である。
【００７２】
（比較例１）
図１３に、本発明者が特願２００３−１７２３２１号で提案した装置（広帯域光源とチューナブルフィルタを用いた装置）により、同じ試験片１５を測定した場合の超音波応答波形を示す。この場合も損傷部１７の通過時において応答開始時間が早く、応答強度が低下していることがわかる。しかし、波長可変レーザ光を用いた図１２の場合と比較すると、応答信号のＳ／Ｎ比が悪く、信号の立ち上がり挙動が明確ではない。
【００７３】
（比較例２）
図１４に、従来の超音波検出に多用されてきた圧電素子センサによる超音波検出を示す。この場合、応答強度には差が現れたが、応答開始時間には明瞭な時間差が現れなかった。圧電素子センサにおいて応答開始時間に明瞭な差が現れなかった原因は、圧電素子センサが検出できる超音波の周波数帯域が狭いためと考えられる。
【００７４】
このように本発明に係るＦＢＧ光ファイバセンサによる超音波検出は、従来、超音波検出に多用されてきた圧電素子センサよりも、欠陥検出を目的とした超音波検出においては、優れていることが分かる。
【００７５】
また光源に波長可変レーザ光源を利用した方が、広帯域光源を利用するよりもＳ／Ｎ比の高い応答信号を得ることができ、欠陥検出において大変有利であることがわかる。このようなことは超音波検出のみでなく、ＡＥ検出においても同様なことが言える。
【００７６】
以上、本発明に係るひずみ計測及び超音波・ＡＥ検出装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施の形態があることは言うまでもない
【産業上の利用可能性】
【００７７】
構造体の健全性を評価するときにおいてひずみ計測と欠陥検出は非常に重要な技術である。本発明に係る装置は一個のＦＢＧセンサでひずみ、超音波、ＡＥの計測を可能にする装置であり、従来、ひずみ計測用センサ、超音波検出用センサ、ＡＥ検出用センサとして異なるセンサを組み合わせてきた構造体健全性モニタリング装置を簡素化することができる。
【００７８】
またＦＢＧセンサは同じ光ファイバ上に複数設けることができる。通信分野で普及している波長分離技術を適用することにより、複数あるセンサの個々のひずみ計測や超音波・ＡＥ検出などができることからも装置の簡素化においては非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】広帯域光源を利用した場合の超音波・ＡＥ計測原理を示す図である。
【図２】広帯域光源を利用した場合の超音波・ＡＥ計測におけるフィルタ動作点の問題を示す図である。
【図３】本発明の光源に波長可変レーザを用いた場合の超音波・ＡＥ検出原理を示す図である。
【図４】本発明のＦＢＧの反射率と波長との関係を示す図である。
【図５】本発明のＦＢＧセンサのブラッグ波長変化と波長可変レーザ発振波長との関係を示す図である。
【図６】レーザ発振波長決定の際に使用した本発明の実験装置を示す図である。
【図７】本発明の広帯域光を入射したときのＦＢＧセンサの反射特性を示す図である。
【図８】本発明のＦＢＧセンサの反射特性から決定された発振波長レーザ光を入射したときの反射特性を示す図である。
【図９】本発明の広帯域光強度分布領域を拡大した図である。
【図１０】本発明の波長可変レーザ光を用いた場合の超音波検出例を示す図である。
【図１１】欠陥検出に適用した超音波検出装置を示す図である。
【図１２】波長可変レーザを光源とした場合の超音波応答波形を示す図である。
【図１３】比較例１において、広帯域光を光源とした場合の超音波応答波形を示す図である。
【図１４】比較例２において、圧電素子センサによる超音波応答波形を示す図である。
【図１５】ひずみ計測、および超音波・ＡＥ検出機能を有するＦＢＧセンシング装置の実施例１を示す図である。
【図１６】ひずみ計測、および超音波・ＡＥ検出機能を有するＦＢＧセンシング装置の実施例２を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  ＦＢＧセンサ 
２  光サーキュレータ
３  チューナブルフィルタ
４  広帯域光源
５  ひずみ計測用光学フィルタ
６  波長可変レーザ光源
７  超音波検出用光電変換器
８  入射光用の１×２カップラー
９  被測定物
１０  反射光用の１×Nカップラー
１１  ひずみ計測用光電変換器Ａ
１２  ひずみ計測用光電変換器Ｂ
１３  ブラッグ波長計測器
１4   超音波探触子（超音波を発生させる圧電素子）
１５  試験片
１６  健全部
１７  損傷部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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